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[摘 要]通过分析研究、钻探探查，揭露或确认桃园矿Ⅱ6采区疑似陷落柱的范围、发育高度等空间形态，进行了针对性的注浆治理，确保了疑似陷落柱的防控，为今后类似探查与治理积累了经验。
[关键词]疑似陷落柱；探查；治理研究
中图分类号：{X829} 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0322-01
一、概述
陷落柱地质构造是由地下水不断冲刷、溶蚀形成洞穴导致覆盖在上部的地层陷落而形成，是煤田开采中常见的一种地质体。在华北石炭二叠纪煤系地层中广为分布，如山西煤田就多次揭露。大的陷落柱贯穿于岩溶发育的奥灰和煤系地层之间，即使陷落柱在天然条件下是不导水的，但由于开采活动对其导水性能的改造，陷落柱往往成为奥灰与煤系地层之间联系的通道，井巷或采煤工作面一旦接近或揭露陷落柱，则可能产生突水。奥灰水量一般较大，易引发水灾。2013年桃园煤矿“2.3”突水事故就是该类型地质灾害。该矿现正在Ⅱ6采区掘进施工，其中西部存在着疑似陷落柱，因此对其探查与治理研究十分必要。
二、Ⅱ6采区与周边地质及水文地质
Ⅱ6采区位于矿井北部第二水平，上部与北八采区相邻，南、北边界分别为F4、F1断层，采区上限标高-520m或为北部井工广煤柱线，下限标高-800m，南北走向长3000m、东西倾向宽900m，面积约2.7Km2。地面位于北部井东北、宿州市经济开发区南侧。地层平均倾角25°，设计开采71、82和10煤层。总体为走向近南北、向东倾斜的单斜构造，仅在局部有小幅度的波状起伏。区域内地质构造简单，断层一般不发育。局部可能发育岩浆岩，可能侵入于中部煤组及10煤组。在生产过程中已发现数个岩溶陷落柱，分布规律不清，突水量差别大，其一旦揭露或确认对安全开采布局影响大。地表水体对整个矿井充水皆无影响。采区各主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层（段）是直接充水含水层，富水性较弱。四含是矿井充水的间接充水含水层，是浅部煤层开采时矿井充水的重要补给水源，富水性弱。太灰和奥灰岩溶裂隙含水层具水压高、来势猛、水量大的特征，是安全生产的重要隐患。该矿以裂隙含水层充水为主，水文地质条件复杂。目前一、二水平联合开采，正常涌水量为541m3/h，最大933m3/h。Ⅱ6采区轨道下山正在掘进且与北侧D1疑似陷落柱最小距离160m左右，处于陷落柱发育层段，掘进方向与该陷落柱长轴轴向平行，受其影响距离较长。从前期勘探资料分析D1疑似陷落柱有向轨道下山方向偏移的趋势，巷道施工安全难以得到保障。
三、疑似陷落柱探查
1）矿井陷落柱探查或揭露情况。2000年10月，北四采区1041轨道巷掘进过程中，实际揭露1个陷落柱。巷道揭露长度15m，涌水量1m3/h。经探测，该陷落柱直径57m，发育上至8煤底板，堆积物岩性差别大，多为10煤以上地层岩石，棱角分明，深部水沿异常体两边有向上升趋势。2006年6～11月，中国矿业大学对二水平二采区进行了三维地震勘探，在北翼皮带大巷04-4孔附近发现1个直径大于80m的疑似陷落柱。2007年3月～2008年6月，安徽省煤田地质局物探队对北八采区进行三维地震勘探，在2-2-4孔北部发现1个疑似陷落柱，在Ⅱ6采区中部偏北控制该疑似陷落柱，平面上呈不规则椭圆型。在10煤层中长轴300m，轴向NE，短轴180m，顶界在3～5煤之间。2011年中国煤炭地质总局物探研究院进行的三维地震精细解释，进一步控制该疑似陷落柱发育高度距新生界底界35～40m，在煤层中陷落柱异常边界呈椭圆状，长轴发育方向基本为NE向。其中：在10煤层中，陷落柱异常长轴约314m，短轴长约194m，面积约0.044km2；为中等富水性的含水陷落柱；在8煤层中，陷落柱异常长轴约254m，短轴长约184m，面积约0.031km2。2）地面钻孔探查情况。该采区现有钻孔18个，总体上对煤层及构造的控制程度较低，另外位于该采区中部的轨道下山布置在10煤顶30m左右。井田精查勘探期间施工的2-2-4孔位于疑似陷落柱边缘，孔深697.58m、终孔層位10煤下。揭露松散层厚度278.40m；揭露的32、52、61、71、72、82、10煤层厚度、层间距和地层产状与相邻钻孔对比基本正常且无断层存在，未揭露陷落柱。2012年针对该疑似陷落柱施工2个煤田探查孔，两孔均终孔于太原组一灰，其中2012-8孔局部岩芯破碎，孔深460.78m冲洗液有明显漏失现象，但无明显陷落柱特征；2012-3孔自基岩界面下100m至终孔，岩芯破碎、冲洗液漏失严重，局部全漏，孔深704.26m。根据两孔揭露煤岩层深度、厚度及地层层序，结合周边钻孔分析，钻探控制区域地层层序基本正常，认为2012-3钻孔可能位于陷落柱边缘。3）疑似陷落柱进一步探查。根据综合图分析疑似陷落柱分布、考虑设计及主采煤层展布情况，地面现场施工条件、提高速度和效率及钻探施工等因素，2014-探1主探查孔位置选择在2012-3孔到采区轨道下山垂线上，距轨道下山中心线64m处，然后在垂直主孔内施工1-2个分支定向钻孔，其主孔控制陷落柱南部边界、10煤及一、二、三灰层位，终孔层位为三灰。为后续定向造斜孔施工提供准确地质资料。1个分支造斜孔控制陷落柱边界、范围、岩性特征、水文地质条件。分支造斜孔，沿地层走向和俯斜方向钻进，在三灰层位“着陆”，沿三灰层段水平钻进、穿过疑似陷落柱。地面主探查孔完成工程量714.87m；分支孔终孔深932.78m、垂高-748.87m、水平位移329.41m、井斜角74.410、终孔层位在四灰底部。两孔总进尺1226.65m，顺利完成了疑似陷落柱的探查。
四、疑似陷落柱治理
本着技术可行，经济合理的原则，对Ⅱ6采区疑似陷落柱进行注浆改造治理。地面建立集中注浆系统，能力大于30m3/h，材料以水泥、粉煤灰为主。1）注浆工艺流程。注浆管路安装与调试→冲洗注浆孔、下注浆钻杆150m→安装孔口装置→注浆系统试运转并做耐压试验→压水试验→造浆压注→观测、记录与情况分析→注后压水（试验）→拆洗注浆系统、透孔。2）注浆压力和水灰比。①设计注浆浆液压力应与注浆层位处的地层压力近似平衡。材料选用普通水泥。浆液水灰体积比：1～1.4。②按平衡地层压力原则计算，所需要的注浆压力不小于4.0MPa。3）注灰量预计。注浆材料：水泥为主。按照注浆形成的结石体应充满注浆孔扩散半径范围内的可注空间。最大注浆量可根据下列公式估算：Q2=kSm/β，式中：Q2为浆液注入量；S为浆液扩散面积，半径10m；m为漏失段厚度，4m；k为漏失段空隙率，0.2；β为浆液结石率，0.6。本次注浆预计用水泥1000t左右。考虑注浆工艺影响，实际可注量与预计量相比有一定偏差。4）注浆工艺与方法。注浆目的是封堵、充填、压实钻孔附近的疑似陷落柱体及灰岩裂隙、溶穴、溶洞，为使1#定向孔注浆顺利，做法：注浆站与2014-探1注浆钻孔之间用D89地质管285m和4PS-51-35高压胶管65m连接；钻孔内用带止浆塞的Φ50注浆钻杆150.38m。
Ⅱ6采区疑似陷落柱探查与注浆同步进行，所以每揭露一层灰岩或富水含水层时根据钻孔冲洗液漏失严重情况都要实施注浆。钻孔共注入水泥1308.25t，粉煤灰30t，钻孔稳定水位-6.40～-14.50m，与北部奥灰水位-7.7～-10.0m接近。顺利完成疑似陷落柱治理，达到了探查目的和治理预期效果。
[关键词]疑似陷落柱；探查；治理研究
中图分类号：{X829} 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0322-01
一、概述
陷落柱地质构造是由地下水不断冲刷、溶蚀形成洞穴导致覆盖在上部的地层陷落而形成，是煤田开采中常见的一种地质体。在华北石炭二叠纪煤系地层中广为分布，如山西煤田就多次揭露。大的陷落柱贯穿于岩溶发育的奥灰和煤系地层之间，即使陷落柱在天然条件下是不导水的，但由于开采活动对其导水性能的改造，陷落柱往往成为奥灰与煤系地层之间联系的通道，井巷或采煤工作面一旦接近或揭露陷落柱，则可能产生突水。奥灰水量一般较大，易引发水灾。2013年桃园煤矿“2.3”突水事故就是该类型地质灾害。该矿现正在Ⅱ6采区掘进施工，其中西部存在着疑似陷落柱，因此对其探查与治理研究十分必要。
二、Ⅱ6采区与周边地质及水文地质
Ⅱ6采区位于矿井北部第二水平，上部与北八采区相邻，南、北边界分别为F4、F1断层，采区上限标高-520m或为北部井工广煤柱线，下限标高-800m，南北走向长3000m、东西倾向宽900m，面积约2.7Km2。地面位于北部井东北、宿州市经济开发区南侧。地层平均倾角25°，设计开采71、82和10煤层。总体为走向近南北、向东倾斜的单斜构造，仅在局部有小幅度的波状起伏。区域内地质构造简单，断层一般不发育。局部可能发育岩浆岩，可能侵入于中部煤组及10煤组。在生产过程中已发现数个岩溶陷落柱，分布规律不清，突水量差别大，其一旦揭露或确认对安全开采布局影响大。地表水体对整个矿井充水皆无影响。采区各主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层（段）是直接充水含水层，富水性较弱。四含是矿井充水的间接充水含水层，是浅部煤层开采时矿井充水的重要补给水源，富水性弱。太灰和奥灰岩溶裂隙含水层具水压高、来势猛、水量大的特征，是安全生产的重要隐患。该矿以裂隙含水层充水为主，水文地质条件复杂。目前一、二水平联合开采，正常涌水量为541m3/h，最大933m3/h。Ⅱ6采区轨道下山正在掘进且与北侧D1疑似陷落柱最小距离160m左右，处于陷落柱发育层段，掘进方向与该陷落柱长轴轴向平行，受其影响距离较长。从前期勘探资料分析D1疑似陷落柱有向轨道下山方向偏移的趋势，巷道施工安全难以得到保障。
三、疑似陷落柱探查
1）矿井陷落柱探查或揭露情况。2000年10月，北四采区1041轨道巷掘进过程中，实际揭露1个陷落柱。巷道揭露长度15m，涌水量1m3/h。经探测，该陷落柱直径57m，发育上至8煤底板，堆积物岩性差别大，多为10煤以上地层岩石，棱角分明，深部水沿异常体两边有向上升趋势。2006年6～11月，中国矿业大学对二水平二采区进行了三维地震勘探，在北翼皮带大巷04-4孔附近发现1个直径大于80m的疑似陷落柱。2007年3月～2008年6月，安徽省煤田地质局物探队对北八采区进行三维地震勘探，在2-2-4孔北部发现1个疑似陷落柱，在Ⅱ6采区中部偏北控制该疑似陷落柱，平面上呈不规则椭圆型。在10煤层中长轴300m，轴向NE，短轴180m，顶界在3～5煤之间。2011年中国煤炭地质总局物探研究院进行的三维地震精细解释，进一步控制该疑似陷落柱发育高度距新生界底界35～40m，在煤层中陷落柱异常边界呈椭圆状，长轴发育方向基本为NE向。其中：在10煤层中，陷落柱异常长轴约314m，短轴长约194m，面积约0.044km2；为中等富水性的含水陷落柱；在8煤层中，陷落柱异常长轴约254m，短轴长约184m，面积约0.031km2。2）地面钻孔探查情况。该采区现有钻孔18个，总体上对煤层及构造的控制程度较低，另外位于该采区中部的轨道下山布置在10煤顶30m左右。井田精查勘探期间施工的2-2-4孔位于疑似陷落柱边缘，孔深697.58m、终孔層位10煤下。揭露松散层厚度278.40m；揭露的32、52、61、71、72、82、10煤层厚度、层间距和地层产状与相邻钻孔对比基本正常且无断层存在，未揭露陷落柱。2012年针对该疑似陷落柱施工2个煤田探查孔，两孔均终孔于太原组一灰，其中2012-8孔局部岩芯破碎，孔深460.78m冲洗液有明显漏失现象，但无明显陷落柱特征；2012-3孔自基岩界面下100m至终孔，岩芯破碎、冲洗液漏失严重，局部全漏，孔深704.26m。根据两孔揭露煤岩层深度、厚度及地层层序，结合周边钻孔分析，钻探控制区域地层层序基本正常，认为2012-3钻孔可能位于陷落柱边缘。3）疑似陷落柱进一步探查。根据综合图分析疑似陷落柱分布、考虑设计及主采煤层展布情况，地面现场施工条件、提高速度和效率及钻探施工等因素，2014-探1主探查孔位置选择在2012-3孔到采区轨道下山垂线上，距轨道下山中心线64m处，然后在垂直主孔内施工1-2个分支定向钻孔，其主孔控制陷落柱南部边界、10煤及一、二、三灰层位，终孔层位为三灰。为后续定向造斜孔施工提供准确地质资料。1个分支造斜孔控制陷落柱边界、范围、岩性特征、水文地质条件。分支造斜孔，沿地层走向和俯斜方向钻进，在三灰层位“着陆”，沿三灰层段水平钻进、穿过疑似陷落柱。地面主探查孔完成工程量714.87m；分支孔终孔深932.78m、垂高-748.87m、水平位移329.41m、井斜角74.410、终孔层位在四灰底部。两孔总进尺1226.65m，顺利完成了疑似陷落柱的探查。
四、疑似陷落柱治理
本着技术可行，经济合理的原则，对Ⅱ6采区疑似陷落柱进行注浆改造治理。地面建立集中注浆系统，能力大于30m3/h，材料以水泥、粉煤灰为主。1）注浆工艺流程。注浆管路安装与调试→冲洗注浆孔、下注浆钻杆150m→安装孔口装置→注浆系统试运转并做耐压试验→压水试验→造浆压注→观测、记录与情况分析→注后压水（试验）→拆洗注浆系统、透孔。2）注浆压力和水灰比。①设计注浆浆液压力应与注浆层位处的地层压力近似平衡。材料选用普通水泥。浆液水灰体积比：1～1.4。②按平衡地层压力原则计算，所需要的注浆压力不小于4.0MPa。3）注灰量预计。注浆材料：水泥为主。按照注浆形成的结石体应充满注浆孔扩散半径范围内的可注空间。最大注浆量可根据下列公式估算：Q2=kSm/β，式中：Q2为浆液注入量；S为浆液扩散面积，半径10m；m为漏失段厚度，4m；k为漏失段空隙率，0.2；β为浆液结石率，0.6。本次注浆预计用水泥1000t左右。考虑注浆工艺影响，实际可注量与预计量相比有一定偏差。4）注浆工艺与方法。注浆目的是封堵、充填、压实钻孔附近的疑似陷落柱体及灰岩裂隙、溶穴、溶洞，为使1#定向孔注浆顺利，做法：注浆站与2014-探1注浆钻孔之间用D89地质管285m和4PS-51-35高压胶管65m连接；钻孔内用带止浆塞的Φ50注浆钻杆150.38m。
Ⅱ6采区疑似陷落柱探查与注浆同步进行，所以每揭露一层灰岩或富水含水层时根据钻孔冲洗液漏失严重情况都要实施注浆。钻孔共注入水泥1308.25t，粉煤灰30t，钻孔稳定水位-6.40～-14.50m，与北部奥灰水位-7.7～-10.0m接近。顺利完成疑似陷落柱治理，达到了探查目的和治理预期效果。